Dans ce topic je vais parler d’une partie de la carte mère couramment appelée « VRM » pour « Voltage Regulator Module » indispensable dans le fonctionnement de la carte mère. Cette partie est l’étage d’alimentation du CPU, elle sert à transformer la tension 12V fournie par l’alimentation en une tension bien plus petite souvent comprise entre 0.7V et 1.5V. Bien que souvent méconnue du grand public cette partie de la carte mère joue un rôle crucial pour le bon fonctionnement de la carte mère et donc de l’ordinateur. Le terme VRM ne désigne pas uniquement l'alimentation du CPU mais aussi celle du GPU sur les carte graphique ou tout autres module de régulation de la tension présent dans divers appareil.
Ces dites VRM sont composés de plusieurs composants principaux , le contrôleur VRM, les MOSFETs, les drivers, les bobines (coil ou choke en anglais), et les condensateurs (Capacitor en anglais) et dans certain cas des doubleurs.
En Bleu l'alimentation 12v et sa filtration, en Rouge les MOSFET (ISL99227B/ISL99140), en Orange les bobines, en Vert les condensateur et en violet les contrôleurs PWM (ISL99138/ISL99133), en rose les doubleurs utiliser sur cette carte mère (ISL6617A) (Photo prise par CornerJack)
Prenons comme exemple un signal PWM à une fréquence de 100hz et une tension entre 0V et 1.8V, ainsi la période du signal est de 10ms. Pour ce signal prenons un rapport cyclique de α=0.2 alors durant une période de ce signal la tension 1.8V sera présente pendant 2ms sur les 10ms totale de la période. Ainsi si on applique ce signal aux MOSFETs grossièrement en alimentant les MOSFETs avec une tension de l’ordre de 12v et un rapport cyclique de 0.2, alors la tension en sortie des MOSFET sera de l’ordre de 12*0.2 soit 2.4v.
Le groupe des PS/SPS (pour Power Stage ou Smart Power Stage) regroupe beaucoup de modèles et de marques plus ou moins performant et « bon » comme ceux d’International Rectifier, d’Infineon, de Texas Instrument, de Renesas, de Vishay et bien d’autre. Ces composant sont donc souvent considérer comme meilleur que leur homologue les MOSFET Hi-side et Lo-side que l’on peut retrouver dans les catalogue de constructeur comme ONSemi ou Sino Power car contrairement aux Hi-side et aux Lo-side les Power Stage de ce type sont plus compact, ont plus souvent des protection contre la surchauffe, les surtension, la surcharge et autre protection pouvant être intéressante dans le cadre des VRM. Ces MOSFET sont aussi souvent équipé d’une sonde interne de température permettant de monitoré facilement la température de ces MOSFET sur Windows par exemple. Et peuvent parfois permettre de relevé le courant de manière plus ou moins précise et donc de pouvoir avoir la puissance consommée par le CPU sans devoir passer par un appareil de mesure externe.
Voici quelques exemple de PS/SPS : dans l’ordre IR3555, CSD87350, TDA21472 et ISL99227F
Les MOSFET Hi-Side et Lo-Side sont de simple MOSFET utiliser pour remplacer une ancienne technique sur de vieille carte mère ou de vieux appareil électronique utilisant un MOSFET Hi-side et une diode a la place du MOSFET Lo-side. Ces deux MOSFET permettent de fermé le circuit dans les 2 phases de l’alimentation quand le MOSFET Hi-side est actif le courant passe du 12v vers le CPU en passant par les bobines. Quand le Hi-side s’ouvre et que le Lo-side se ferme une nouvelle boucle est fermé entre le CPU et la masse de la carte mère. Cette boucle permet de vidé les bobine du courant emmagasiner quand le Hi-side était fermé et éviter des pic de tension lorsque le Hi-side se ferme au cycle suivant, quand le courant stocker dans les bobine traverse les MOSFET Lo-side les pertes thermique sont importante, plus que celle du Hi-side quand il est fermé, car le Lo-side est fermé plus longtemps que le Hi-side et donc il est traversé plus longtemps par du courant que le Hi-side.
Voici quelques exemple de Lo-side et Hi-side : dans 4C029, 4C024, SM4337, SM4503
Parce que le MOSFET Hi-side est celui qui fournit la puissance au reste de chaque phase il est aussi la première limite de puissance au sein de chaque phase. Toutefois caractériser la puissance de sortie de chaque phase est quelque chose de compliqué sachant qu’il n’y a pas de méthode standard permettant de les comparés mais certaine caractéristiques des MOSFET présente dans les documents technique permettent d’avoir une bonne idée de leurs capacité ces caractéristique sont les pertes par effet joule au sein des MOSFET et le courant maximal en fonction de la température. Les MOSFET sont des composants qui peuvent sortir un courant plus élevé à faible température c’est pourquoi on utilise des dissipateur plus ou moins travailler et plus ou moins efficace pour dissiper la chaleur produite par les MOSFET et réduire leur température et ainsi améliorer leur capacité en sortie. Par exemple prenons deux MOSFET un infineon IR3553 et un infineon TDA21240 avec les mêmes conditions c’est-à-dire en entrée 12v la tension en sortie pour 1.2v et une température environnante de 25°C l’IR3553 aura une fréquence de commutation de 400kHz tandis que le TDA21240 aura une fréquence de commutation de 417kHz. Ainsi pour chacun un courant d’intensité 40A les traversant le MOSFET IR3553 a selon sa documentation environ 9W de perte contre environ 5.6W pour le MOSFET TDA21240.
Voici 2 exemples de doubleur dans l’ordre l’ISL6617A et l’uP1911P
Les drivers quant à eux sont des composants qui peuvent être soit intégré dans les MOSFET comme dans les TDA21472 ou les IR3555 ou bien seul comme les IR3535 d’infineon. Ces composants permettent de traduire le signal PWM issus du contrôleur en une suite d’action sur certaine broche des MOSFET permettant ainsi d’ouvrir ou de les fermer en fonction de l’état du signal PWM. C’est grâce à ces petits composants que les MOSFET Hi-Side et Lo-Side peuvent fonctionner et ainsi former une phase avec les bobines et les condensateurs.
Ces dites VRM sont composés de plusieurs composants principaux , le contrôleur VRM, les MOSFETs, les drivers, les bobines (coil ou choke en anglais), et les condensateurs (Capacitor en anglais) et dans certain cas des doubleurs.
En Bleu l'alimentation 12v et sa filtration, en Rouge les MOSFET (ISL99227B/ISL99140), en Orange les bobines, en Vert les condensateur et en violet les contrôleurs PWM (ISL99138/ISL99133), en rose les doubleurs utiliser sur cette carte mère (ISL6617A) (Photo prise par CornerJack)
- Le Contrôleur PWM.
Prenons comme exemple un signal PWM à une fréquence de 100hz et une tension entre 0V et 1.8V, ainsi la période du signal est de 10ms. Pour ce signal prenons un rapport cyclique de α=0.2 alors durant une période de ce signal la tension 1.8V sera présente pendant 2ms sur les 10ms totale de la période. Ainsi si on applique ce signal aux MOSFETs grossièrement en alimentant les MOSFETs avec une tension de l’ordre de 12v et un rapport cyclique de 0.2, alors la tension en sortie des MOSFET sera de l’ordre de 12*0.2 soit 2.4v.
- Les MOSFET
Le groupe des PS/SPS (pour Power Stage ou Smart Power Stage) regroupe beaucoup de modèles et de marques plus ou moins performant et « bon » comme ceux d’International Rectifier, d’Infineon, de Texas Instrument, de Renesas, de Vishay et bien d’autre. Ces composant sont donc souvent considérer comme meilleur que leur homologue les MOSFET Hi-side et Lo-side que l’on peut retrouver dans les catalogue de constructeur comme ONSemi ou Sino Power car contrairement aux Hi-side et aux Lo-side les Power Stage de ce type sont plus compact, ont plus souvent des protection contre la surchauffe, les surtension, la surcharge et autre protection pouvant être intéressante dans le cadre des VRM. Ces MOSFET sont aussi souvent équipé d’une sonde interne de température permettant de monitoré facilement la température de ces MOSFET sur Windows par exemple. Et peuvent parfois permettre de relevé le courant de manière plus ou moins précise et donc de pouvoir avoir la puissance consommée par le CPU sans devoir passer par un appareil de mesure externe.
Voici quelques exemple de PS/SPS : dans l’ordre IR3555, CSD87350, TDA21472 et ISL99227F
Les MOSFET Hi-Side et Lo-Side sont de simple MOSFET utiliser pour remplacer une ancienne technique sur de vieille carte mère ou de vieux appareil électronique utilisant un MOSFET Hi-side et une diode a la place du MOSFET Lo-side. Ces deux MOSFET permettent de fermé le circuit dans les 2 phases de l’alimentation quand le MOSFET Hi-side est actif le courant passe du 12v vers le CPU en passant par les bobines. Quand le Hi-side s’ouvre et que le Lo-side se ferme une nouvelle boucle est fermé entre le CPU et la masse de la carte mère. Cette boucle permet de vidé les bobine du courant emmagasiner quand le Hi-side était fermé et éviter des pic de tension lorsque le Hi-side se ferme au cycle suivant, quand le courant stocker dans les bobine traverse les MOSFET Lo-side les pertes thermique sont importante, plus que celle du Hi-side quand il est fermé, car le Lo-side est fermé plus longtemps que le Hi-side et donc il est traversé plus longtemps par du courant que le Hi-side.
Voici quelques exemple de Lo-side et Hi-side : dans 4C029, 4C024, SM4337, SM4503
Parce que le MOSFET Hi-side est celui qui fournit la puissance au reste de chaque phase il est aussi la première limite de puissance au sein de chaque phase. Toutefois caractériser la puissance de sortie de chaque phase est quelque chose de compliqué sachant qu’il n’y a pas de méthode standard permettant de les comparés mais certaine caractéristiques des MOSFET présente dans les documents technique permettent d’avoir une bonne idée de leurs capacité ces caractéristique sont les pertes par effet joule au sein des MOSFET et le courant maximal en fonction de la température. Les MOSFET sont des composants qui peuvent sortir un courant plus élevé à faible température c’est pourquoi on utilise des dissipateur plus ou moins travailler et plus ou moins efficace pour dissiper la chaleur produite par les MOSFET et réduire leur température et ainsi améliorer leur capacité en sortie. Par exemple prenons deux MOSFET un infineon IR3553 et un infineon TDA21240 avec les mêmes conditions c’est-à-dire en entrée 12v la tension en sortie pour 1.2v et une température environnante de 25°C l’IR3553 aura une fréquence de commutation de 400kHz tandis que le TDA21240 aura une fréquence de commutation de 417kHz. Ainsi pour chacun un courant d’intensité 40A les traversant le MOSFET IR3553 a selon sa documentation environ 9W de perte contre environ 5.6W pour le MOSFET TDA21240.
- Les composants périphériques.
Voici 2 exemples de doubleur dans l’ordre l’ISL6617A et l’uP1911P
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